CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN

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Jorge Arroyo Suárez
hace 5 años
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1 CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN 1.1 Antecedentes Desde hace muchas décadas existe el interés por desarrollar dispositivos electrónicos con características físicas sobresalientes entre las que podemos mencionar propiedades electroópticas, acusto-ópticas, piezoeléctricas y termoeléctricas; para el desarrollo de estos dispositivos se ha experimentado con diversidad de semiconductores elementales como el Silicio (Si) y el Germanio (Ge), así como con materiales compuestos, entre lo que podemos mencionar al GaAs, Carburo de silicio (SiC), Nitruro de galio (GaN) y sus derivados. Estos semiconductores tienen como característica común que son semiconductores de banda prohibida angosta excepto el GaN, sin embargo con el desarrollo de pantallas delgadas, últimamente se trata de desarrollar dispositivos semitransparentes. Es por ello que se han realizado investigaciones en otros materiales como el Óxido de Zinc (ZnO). El ZnO es un semiconductor ópticamente transparente en la región del visible e infrarrojo cercano del espectro electromagnético. El principal interés sobre el Óxido de Zinc radica en sus propiedades optoelectrónicas, piezo-electrónicas y piezo-ópticas muy atractivas para el desarrollo de dispositivos con aplicaciones en las áreas de ondas acústicas, comunicaciones por fibras ópticas y optoelectrónica. Debido a su gran banda de energía prohibida (E g ), las películas de ZnO han sido empleadas como capas de ventanas en celdas solares. Otra ventaja del ZnO es su estabilidad química que permite ser depositado por métodos químicos de fabricación. El ZnO también compite con el ITO (Indium Thin Oxide) como conductor transparente debido a su bajo costo y toxicidad. Otras de las aplicaciones de las películas de ZnO son en las áreas de sensores de gas, lubricantes sólidos a alta temperatura en motores de turbina de gas y dispositivos electrocrómicos. Los Transistores de película Delgada de ZnO (TFT por sus siglas en ingles) han despertado el interés de la comunidad científica debido a sus características especiales entre - 1 -

2 las que se incluyen: su amplio banda prohibida, transparencia y su alta movilidad de efecto de campo comparada con la de los TFTs convencionales de Silicio [1]. Recientemente el interés se ha centrado en el desarrollo de transistores con nuevos materiales como canal para resolver problemas relacionados con la baja movilidad de efecto de campo y la opacidad del Silicio. Los materiales que están bajo estudio son los semiconductores transparentes para fabricar Pantallas de Cristal Líquido de Matriz Activa (AMLCD) o pantallas de Leds Orgánicos (OLED Displays), para evitar la restricción de área, ya que se podría desarrollar toda la electrónica transparente sobre la pantalla. La mayoría de esos estudios se han realizado sobre diferentes substratos, compuertas y aislantes de compuerta para encontrar una estructura óptima para que los TFTs de ZnO cumplan los requerimientos mínimos para las aplicaciones antes mencionadas. Transistores de ZnO como canal activo sobre sustratos de vidrio muestran buenas características, tales como bajas corrientes de fuga, de ~10-11 A, razones de corriente de encendido 10 5 y movilidades de saturación de ~30 cm 2 /V s. El rendimiento del ZnO es 20 veces mejor que el de los semiconductores orgánicos, este puede ser fabricado sobre substratos de plástico flexibles a temperatura ambiente. En este trabajo se realiza la fabricación y caracterización de transistores FET de canal a base de canal de ZnO depositado usando la técnica RF Magnetrón Sputtering sobre sustratos de SiO 2 /Si. 1.2 Propiedades del ZnO El Óxido de Zinc es un compuesto inorgánico semiconductor que pertenece a la familia II- VI. Cuenta con una energía de banda prohibida directa de 3.37 ev, esta propiedad lo hace tranparente a la luz visible, opera en longitudes de onda entre el azul y el UV. La energía de enlace para este compuesto es de 60 mev, la cual es alta comparada con el GaN, la cual es de 25 mev, esta alta energía de enlace resalta la eficiencia en la emisión de luz. A temperatura ambiente el ZnO presenta una movilidad de 200 cm 2 V 1 y una alta velocidad de saturación. Una característica del ZnO es que posee la habilidad para personalizar su banda prohibida por sustitución bivalente en las posiciones de los cationes para formar heteroestructuras. Una energía de banda prohibida de 3.0 ev puede obtenerse dopando con Cd 2+, mientras si dopamos con Mg 2+ se puede incrementar a 4.0 ev [1, 2, 3]

El ZnO a temperatura ambiente presenta regularmente una estructura tipo wurzita, que tiene una celda unitaria hexagonal, pertenece a un espacio de grupo P63mc, en esta fase enlaces tetragonales son

El acoplamiento tetraédrico en este enlace da lugar a una simetría polar a lo largo del eje hexagonal. Debido a la diferencia de las electronegatividades del Zinc y del Oxigeno, con 1.65 y 3.

3 El ZnO a temperatura ambiente presenta regularmente una estructura tipo wurzita, que tiene una celda unitaria hexagonal, pertenece a un espacio de grupo P63mc, en esta fase enlaces tetragonales son formados por la interconexión de dos subestructuras de Zn 2+ y O 2-, el átomo de Zinc es rodeado por 4 átomos de oxigeno y viceversa, este acomodo es típico de los enlaces covalentes sp3. El acoplamiento tetraédrico en este enlace da lugar a una simetría polar a lo largo del eje hexagonal. Debido a la diferencia de las electronegatividades del Zinc y del Oxigeno, con 1.65 y 3.44 respectivamente, se presenta una alta ionicidad en los enlaces entre el Zn y el O. Este compuesto también puede presentar estructuras cubica zincblende y rocksalt [1]. Figura 2.1 Estructura hexagonal tipo wurzita de ZnO. Los cristales de ZnO son conocidos como un material piezoeléctrico con un gran factor de acoplamiento electromecánico y baja constante dieléctrica, estas propiedades piezoeléctricas se emplean para hacer transductores ultrasónicos en regiones de alta frecuencia. Un resumen de propiedades físicas de un cristal de ZnO se muestra en la tabla 2.1. Sistema cristalino Espacio de grupo Constantes cristalina Punto de sublimación Wurzita (6mm) P63mc a = Å, c= Å C - 3 -

4 Dureza Constantes dieléctricas Densidad Coeficiente de expansión térmica Transparencia Óptica Índice de refracción 4 Mohs =8.55, =10.20x10-11 F/m 5.665x103 kg/m μm n 0 =1.9985, n e = (λ=6328 Å) Tabla 2.1 Propiedades físicas de un cristal de ZnO. 1.3 Objetivo General El objetivo principal de este trabajo es el estudio de películas de ZnO depositadas por la técnica de r.f. sputtering para el desarrollo y caracterización de Transistores de Efecto de Campo (FET). 1.4 Objetivos Particulares Desarrollar películas de ZnO por el método de Sputtering. Caracterizar películas de ZnO. Fabricar Transistores de Efecto de Campo. Caracterizar eléctricamente los FETs. 1.5 Estructura de la tesis En el segundo capítulo se estudian los Procesos de fabricación y de caracterización de Películas más importantes que existen y sobre todo que se pueden o en un futuro cercano se podrían implementar en la Universidad de Sonora, además se estudian las propiedades del ZnO para ser aplicado como semiconductor de canal en la fabricación del FET. En el tercer capítulo se realiza una revisión de los conceptos más importantes de transistores FET, su clasificación y principales características. Además se presenta el proceso de fabricación usado en el desarrollo del FET a base de ZnO que se realizo en este trabajo. En el cuarto capítulo se presentan los resultados de las películas de ZnO fabricadas por el método de sputtering y los resultados de los transistores fabricados en este trabajo, así como un - 4 -

5 análisis de los mismos. En la primera parte se muestran los resultados de las caracterizaciones estructural, morfológico-superficial, y óptica del material fundamental investigado (películas delgadas de ZnO). En la segunda parte se presenta la caracterización eléctrica del mismo material, integrado como un material activo en un dispositivo transistor de películas delgadas (TFT). En el Quinto capítulo se presentan las conclusiones y las perspectivas futuras

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